实时调试与验证解决FPGA开发的关键瓶

　　在嵌入式系统设计中的各种硬件核心中，随着FPGA门数的增多和速度的加快，EDA开发工具越来越高效，更具便利性和灵活性的FPGA无疑是当前系统设计中的热门选择。而随着FPGA设计的完善程度和复杂程度不断增长，产品开发周期的限制，调试验证的重要性愈发突出。对此热点话题，笔者特别采访了泰克逻辑分析仪市场策略经理Mike Juliana先生，请他就FPGA的设计和验证做出专门阐述。

　　FPGA开发流程包括设计阶段和调试阶段，设计阶段的任务是设计录入、设计实施、仿真，调试和验证阶段的任务是在线验证检验设计，校正发现的任何漏洞。在设计阶段，仿真调试能够缩短调试时间，发现和排除显而易见的错误，但是仿真很难对真实世界的数据进行校验，很难仿真定时错误和异步事件。在调试阶段时，需要由测试工程师在真实的FPGA运行中测试，仿真层不能够覆盖的部分则用测试来实现。

　　对于当前复杂的FPGA开发阶段，Mike Juliana先生认为，仿真实际应该是设计的第一步骤，而调试是必须进行的第二步骤，不能只通过仿真来完成设计和调试。仿真只能覆盖低速、门数较少的FPGA，而高速、复杂的设计中，调试是必须进行的开发阶段。

　　过去，设计人员有两种FPGA调试方法，内嵌式调试方法和外部逻辑分析仪调试。内嵌式逻辑分析仪，采用FPGA的片内资源进行编制逻辑分析功能，FPGA厂家提供了很多内嵌的调试方法和软件工具，如Altera的SignalTap II，Xilinx的ChipScope TM ILA，以及Actel的CLAM 。但FPGA片内资源有限，并且内嵌式调试仅仅支持状态分析方式，不能进行实时调试。外部逻辑分析仪，FPGA可以将信号通过引脚的方式引出，用逻辑分析仪采集和分析信号。但需要占用许多的FPGA引脚，如果要改变FPGA的内部必须重新编译。

　　并且随着设计尺寸和复杂程度不断提高，内部节点与外部管脚的矛盾成为FPGA内部信号访问的最大障碍。对此，测试测量行业的两大巨头泰克与安捷伦都选择使用了JTAG口通过自动方式映射内部节点，加速工程师FPGA调试过程，减少在发现问题时返回设计阶段的步骤和时间。

　　泰克FPGAView解决方案综合了两种传统的调试方式，借助调试软件，创建和插入测试代码，利用工程师所设计的测试核，把FPGA针脚映射到逻辑分析仪，自动更新节点与管脚的对应关系。FPGAView可以即时移动探点，而不需重新汇编设计。同时它能够把内部FPGA信号活动与电路板级信号关联起来，在满足时间表方面起到事半功倍的作用。对于Altera的FPGA产品，可直接利用其自带的测试核 Quartus V5.15W，而Xilinx产品可以借助FS2 TestCore进行调试。目前泰克逻辑分析仪可达到1.25Ga/s采样速率，完全支持市场中200-300M中高速度的FPGA调试。

　　此外，Mike Juliana先生建议，对于FPGA的调试工作，除了需要选择合适的调试工具之外，还需要注意另外两点，首先要做好仿真阶段，其次要制定完整的调试战略。工程师需要在设计阶段就考虑哪些信号需要测试，在设计时制定好调试战略，根据战略来选择调试方案。实际上，这个问题经常被设计工程师所忽视，导致加重测试阶段的时间和复杂度。在制定调试战略时，需要观察两部分，包括状态机及各个状态机之间的关系，总线内部以及之间的关系，从而发现典型性的问题和潜在性的问题。

　　对于未来FPGA的发展趋势，Mike Juliana先生认为FPGA将会变得更加复杂，很多功能都在片上来实现，SOC将成为未来的主要设计方向。此外，更多的FPGA中将会内嵌处理器和控制器。而对此泰克的很多方案诸如模块化结构和硬件的增值服务，可以使不同领域的仪器结合在一起，观测数字世界。